深部典型回采巷道圍巖變形破壞特征及控制機(jī)理研究.pdf

1、隨著煤礦開采深度的增加，回采巷道圍巖變形量大、支護(hù)體變形失效多、巷道斷面收縮嚴(yán)重等礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，有關(guān)深部回采巷道圍巖變形破壞機(jī)理及支護(hù)技術(shù)的研究越來越成為確保工作面安全高效生產(chǎn)的重要課題。以淮南礦區(qū)13-1煤回采巷道賦存及工程條件為背景，在調(diào)研深部典型回采巷道支護(hù)及圍巖變形破壞現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，開展深部典型回采巷道圍巖變形破壞特征及控制機(jī)理研究，采用地應(yīng)力實(shí)測(cè)、相似模擬、數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等綜合研究方法對(duì)深部典型回采巷道圍巖變形破

2、壞特征及控制機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　1)分析深部回采巷道地質(zhì)工程條件，開展圍巖力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力參數(shù)測(cè)試及掘進(jìn)回采期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究，獲得深部典型回采巷道的圍巖力學(xué)及礦壓顯現(xiàn)特征。
　　2)在深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了大尺寸、真三軸應(yīng)力下煤巷圍巖變形破壞特征的模型試驗(yàn)研究。獲得了淺埋靜水壓力、深埋靜水壓力、初掘采動(dòng)應(yīng)力(k=1.5倍900m埋深靜水壓力，后同)及回采動(dòng)壓(k=2～4

3、.5)等不同應(yīng)力環(huán)境下矩形、直墻拱形共四種尺寸的煤巷圍巖應(yīng)變、變形及破壞特征，結(jié)果表明:隨加載壓力增加，煤巷圍巖經(jīng)歷了小應(yīng)變、淺部拉伸深部壓縮的分區(qū)應(yīng)變到高應(yīng)力下拉應(yīng)變區(qū)范圍不斷擴(kuò)展的變化過程，獲得了拉壓分區(qū)應(yīng)變產(chǎn)生的條件:頂?shù)装?、載荷集度介于900m靜水壓力～k≤2之間、直墻拱形更易出現(xiàn)，研究還發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力下拉應(yīng)變擴(kuò)展范圍超錨索支護(hù)長(zhǎng)度。監(jiān)測(cè)底鼓隨加載壓力變化表明:高應(yīng)力是巷道底鼓量大、底鼓速度加快的主要原因，斷面形狀對(duì)底臌也有一定的影

4、響，直墻拱形較矩形小。斷裂絲監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示:巷道破壞先后順序?yàn)?巷幫首先發(fā)生破裂，進(jìn)而傳遞到底角，最終巷道頂板產(chǎn)生明顯離層;試驗(yàn)還得到大斷面預(yù)留大變形是深部典型回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制的有效途徑之一。
　　3)數(shù)值模擬研究深部典型回采巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素（采高、面長(zhǎng)、埋深、錨索支護(hù)體長(zhǎng)度）結(jié)果表明:(1)回采巷道初掘期間，應(yīng)變軟化是圍巖穩(wěn)定性的主要影響因素。軟化模量為Q=2.0GPa時(shí)深部典型回采巷道的圍巖變形和礦壓實(shí)測(cè)結(jié)果更為吻合

5、，且軟化后巷道圍巖塑性區(qū)內(nèi)出現(xiàn)較多范圍的拉破壞區(qū)，與模型試驗(yàn)結(jié)果一致。(2)工作面回采期間，采用單因素法分析了四因素對(duì)面前方回采巷道兩幫老頂支承壓力峰值的影響，獲得了相應(yīng)的峰值應(yīng)力變化規(guī)律。(3)采用極差分析法確定埋深是影響回采巷道圍巖穩(wěn)定性的主要影響因素，擬合得到了四因素隨埋深變化關(guān)系式，相關(guān)性很好，結(jié)果表明:幫部圍巖變形呈線性增加，頂?shù)滓平手笖?shù)增長(zhǎng)，隨埋深增加，幫部增速較頂?shù)卓?，埋?00m時(shí)，各移近量相當(dāng)，加強(qiáng)幫部支護(hù)和控制頂板

6、離層應(yīng)并駕齊驅(qū)。
　　4)初掘期間，基于M-C、D-P準(zhǔn)則，按應(yīng)變軟化、碎脹擴(kuò)容條件分析了深部軟化區(qū)、殘余區(qū)范圍的影響因素，研究發(fā)現(xiàn)同梯度增加的軟化模量、支護(hù)力(△Q=1GPa、△Pi=0.15MPa)對(duì)巷道圍巖軟化區(qū)、殘余區(qū)范圍的影響，初始段較后續(xù)段大，基于D-P準(zhǔn)則簡(jiǎn)化計(jì)算得到走向高應(yīng)力是軟化區(qū)、殘余區(qū)范圍增長(zhǎng)的不利影響因素之一，代入典型條件煤巷參數(shù)計(jì)算分析了軟化區(qū)、殘余區(qū)范圍，發(fā)現(xiàn)殘余區(qū)范圍超過一般幫錨桿支護(hù)長(zhǎng)度(小于等于2

7、.5m)，需加強(qiáng)幫部支護(hù)。
　　5)回采期間，基于損傷理論、材料力學(xué)理論，構(gòu)建了堅(jiān)硬老頂“梁”模型研究了工作面?zhèn)取?shí)體煤側(cè)巷道深部圍巖彈塑性交界處頂板壓力大小對(duì)老頂撓度的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨老頂垂直壓力增加，撓度增加很快;同時(shí)其最大撓度位置隨壓力大小及距巷表距離發(fā)生改變。依據(jù)最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，分析了堅(jiān)硬頂板的拉破斷特征，計(jì)算得到高應(yīng)力下巷道頂板基本處于拉破壞失穩(wěn)階段。
　　6)為防止拉破壞失穩(wěn)，提出幫角頂板加強(qiáng)支護(hù)減少頂板下沉

8、位移，依據(jù)超靜定梁的求解步驟，采用解除約束的辦法分析老頂巖梁受力變形，求出作用于頂板的支護(hù)力及其撓度曲線，得出了巷道上方頂板反彈的曲線，理論上解釋了頂板壓縮變形及壓縮區(qū)存在的可能。
　　7)在總結(jié)模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算、理論分析等深部典型回采巷道圍巖變形破壞特征的基礎(chǔ)上，提出“開掘方向優(yōu)化”、“強(qiáng)幫護(hù)兩側(cè)頂”、“斷面形狀優(yōu)化”、“分區(qū)分級(jí)加強(qiáng)”等控制原則，并優(yōu)化同類條件破壞變形嚴(yán)重的回采巷道支護(hù)方案，方案實(shí)施后，深部典型回采巷道圍巖變